镍掺杂MnO2 纳米棒协同效应：高性能超级电容器的结构调控与电化学机制解析

本研究针对超级电容器能量密度不足的瓶颈问题，通过水热法制备不同镍掺杂比例（2%-7%）的MnO2 纳米棒（Ni-MnO2 NRs）。5%掺杂样品（NMn-5）展现出336 F/g的比电容、31.7 Wh/kg能量密度及71.8%循环稳定性，并通过LED器件验证其应用潜力，为电动汽车储能材料设计提供新思路。

　　

随着全球对化石燃料依赖的加剧，传统燃油车已成为碳排放的主要来源。电动汽车（EVs）虽被视为解决方案，但其核心储能部件——锂离子电池存在功率密度低、充电时间长等缺陷。超级电容器凭借高功率密度和快速充放电特性成为补充方案，但其能量密度不足制约了实际应用。锰基氧化物（MnO₂
）因其1370 F/g的理论比电容备受关注，但实际性能受限于低电导率和表面活性位点不足。针对这一挑战，国内研究人员通过镍离子（Ni²⁺
）掺杂策略，系统探究了结构-性能关系，相关成果发表于《Next Energy》。

研究团队采用水热法合成系列Ni-MnO₂
纳米棒（掺杂比例2%-7%），通过X射线衍射（XRD）和场发射扫描电镜（FE-SEM）确认晶体结构和形貌特征，结合循环伏安（CV）、恒电流充放电（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）评估电化学性能。最后通过对称器件组装验证实际应用价值。

【X射线衍射研究】
XRD图谱显示所有样品均呈现α-MnO₂
相（JCPDS #44–0141），镍掺杂引起（211）晶面衍射峰位移。7%掺杂样品出现杂质峰，与拉曼光谱结果一致。Scherrer方程计算表明晶粒尺寸从2.25 nm（纯MnO₂
）增至12.51 nm（NMn-7），应变分析揭示晶格畸变加剧。

【形貌与元素分析】
FE-SEM显示纳米棒直径随掺杂量增加（13-28.5 nm），EDX证实Ni成功掺入晶格。5%掺杂样品（NMn-5）展现最优形貌均一性，元素分布图谱显示Mn、O、Ni均匀分散。

【拉曼光谱】
640 cm^?1
处特征峰对应Mn-O键振动，5%掺杂样品出现最大红移（0.8 cm^?1
），表明晶格收缩。7%样品出现杂质峰，与XRD结果吻合。

【电化学性能】
CV曲线显示NMn-5在5 mV/s扫描速率下比电容达336 F/g，GCD测试证实其在1 A/g电流密度下保持176 F/g。EIS分析显示该样品具有最低串联电阻（3.6 Ω）和电荷转移电阻（0.5 Ω）。2000次循环后容量保持率71.8%，库伦效率90.8%。

【器件验证】
组装对称超级电容器可驱动红色LED持续发光5分钟，Ragone图显示能量密度达31.7 Wh/kg（功率密度440 W/kg）。

该研究通过精准调控镍掺杂浓度，实现了MnO₂
纳米棒结构优化与性能提升的协同效应。5%掺杂样品（NMn-5）因其平衡的晶格畸变与电子传导特性，展现出最佳电化学性能。这项工作不仅为过渡金属氧化物电极材料设计提供了新思路，其简易的水热合成方法和可扩展的器件组装方案，更为超级电容器的商业化应用奠定了实验基础。研究者特别指出，未来可通过复合二维材料（如石墨烯）进一步优化界面电荷传输，推动高能量密度储能器件发展。